２０１０年第２９卷第９期 传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ） １０１ 基于蓝牙技术的无线传感器网络数据通信系统的设计 田祖伟 ，杨恒伏 （１．湖南第一师范学院信息科学与工程系，湖南长沙４１０２０５； ２．国防科学技术大学计算机学院，湖南长沙４１００７３） 摘要：研究了使用蓝牙技术进行无线传感器网络数据通信的相关技术，提出了一种构建传感器网络的 快速、高效的蓝牙分散网络建立算法。该算法用能量感知路由方法来平衡各节点电源的消耗率，用定时唤 醒和多工作状态转换机制来延长各节点的生存时问。仿真实验与结果分析证实了该方案能有效降低功耗 和延长网络的生命周期。 关键词：传感器网络；数据通信；低功耗；蓝牙分散网络 中图分类号：ＴＰ３９３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－９７８７（２０１０）０９－０１０１－０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄａｔａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ＴＩＡＮ Ｚｕ．ｗｅｉ ，ＹＡＮＧ Ｈｅｎｇ．ｆｕ （１。Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｈｕｎａｎ Ｆｉｒｓｔ Ｎｏｒｍａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１０２０５，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｄｅｆｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄａｔａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｕｓｉｎｇ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ ａ ｆａｓｔ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｉｆｃｉｅｎｔ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｓｃａｔｔｅｒｎｅｔ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｏ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ａｎ ｅｎｅｒｇｙ ａｗａｒｅ ｒｏｕｔｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｂａｌａｎｃｅ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｅａｃｈ ｎｏｄｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｉｍｉｎｇ ｗａｋｅ—ｕｐ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｔａｔｅｓ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｏ ｐｒｏｌｏｎｇ ｔｈｅ ｎｏｄｅ ｌｉｆｅｔｉｍｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ｐｒｏｌｏｎｇ ｔｈｅ ｌｉ￣ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｎｅｔｗｏｒｋ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｄａｔａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ；Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｓｃａｔｔｅｒ ｎｅｔ ０引 言 动终端构成蓝牙匹克网，实现了无线传感器和互联网的连 蓝牙技术具有抗干扰能力强、通信质量稳定、功耗低、 接；文献［７］在基于蓝牙匹克网的无线传感器网络基础上， 成本低的优点，能方便地集成到各种恶劣环境的设备 引入一种基于信息触发的星型连接网络拓扑，降低了网络 中 ，已被广泛应用于无线传感器网络中 一 。 的整体功耗；此外，文献［８，９］等讨论了基于树型散列网与 基于蓝牙技术的无线传感器网络是由传感器件、数据 蓝牙匹克网的无线传感器网络。这些已有的工作只对基于 处理单元和蓝牙模块组成的节点通过自组织方式组成的网 蓝牙技术的无线传感器网络组网技术和路由等技术进行了 络，与其他无线传感器网络类似，具有节点密度高、节点的 初步的研究，研究表明：节点的加入或删除都将较大地影响 能量、计算能力和存储能力受限、网络拓扑可能经常变化等 整个网络的通信，网络通信开销大，网络动态拓扑变化适应 特点。由于蓝牙具有低成本、低功耗、抗干扰性能好、组网 性较差，鲁棒性弱，易在蓝牙根节点或桥节点产生瓶颈，只 方便、安全性高等优点，因此具有非常广阔的应用前景 Ｊ。 适用于小范围的传感器网络。 目前已有一些研究人员对基于蓝牙技术的无线传感器网络 为此，本文设计了一种新型的基于蓝牙技术的传感器 的体系结构和组网技术进行了研究，并取得一些进展，如， 网络数据通信系统，该系统通过构建拓扑树、分配角色等方 文献［１］和文献［６］提出了基于蓝牙匹克网的无线传感器 式，设计了一种构建传感器网络的快速、高效的蓝牙分散网 网络，分别在传感器节点与中继点、中间件Ｓｉｎｋ节点与移 络建立算法。在此基础上，进一步提出了一种能量感知路 收稿日期：２０１０－０１－０７ 基金项目：湖南省教育厅科研计划资助项目（０８Ｂ０１４，０８Ｃ０１８）；湖南省科技厅科技计划资助项目（２００８ＧＫ３１３４） １０２ 传感器与微系统 第２９卷 由算法，该算法用能量感知路由方法来平衡各节点电源的 消耗率，用定时唤醒和多工作状态转换机制来延长各节点 的生存时间，仿真实验表明：本文所设计的系统能有效地改 善上述方案的不足。 ’ １基于蓝牙技术的传感器网络数据通信系统 １．１分散网络组网算法 基于蓝牙技术的无线传感器网络的组网过程为：首先， 建立蓝牙分散网拓扑结构，然后，传感节点开始监测数据， 网关用于采集所有传感器节点数据，所有传感器节点均须 传播其数据到网关，当然，网关有充足的能量资源，有更强 的处理数据或传送数据的能力。组网算法具体分为３个阶 段： １）链路建立算法 链路建立算法，由中心节点聚合一些节点组成局部网， 并负责采集该局部网中所有节点的信息。为了达到这一目 的，每个节点均需要维护一个用于记录其所拥有节点信息 的拓扑树，为发现并加入其他节点，每个节点均在询呼（ｉｎ— ｑｕｉｒｙ）与询呼扫描（ｉｎｑｕｉｒｙ ｓｃａｎ）２种状态转换，其链路建立 算法描述为：如果节点是胜者（拥有更多节点或更大的蓝牙 设备地址），则传呼所有来自负者的新节点，并监听新节点 是否有响应，如果新节点有响应，则将新节点移至胜者拓扑 树中，并保持节点在询呼和询呼扫描两状态间转换，直到时 间满足结束条件；否则，负者进入扫描模式。 ２）分配角色与建立局部网 本阶段主要是调整拓扑树，分配角色以形成局部分散 网络。拓扑树中每个父节点作为主站，子节点作为从站。 步骤１：如果节点没有子节点，则终止其运行； 步骤２：如果节点所属子节点数小于８，则该节点传呼 其所属节点以形成一微网，对每个子节点转至步骤１进一 步调整分配角色； 步骤３：如果节点所属子节点数均大于等于８，选择一 个有较少子节点的非孤立节点，并根据其深度递增顺序搜 寻所有的兄弟节点，若有一个节点响应其传呼，则将其子树 加入到该非孤立节点中，返回步骤１继续传呼。 由以上步骤就建立了一个蓝牙局部网。 ３）连接局部网 本阶段连接以上形成的所有局部网。为了发现其他局 部网，每个局部网中所有节点均在询呼和询呼扫描模式下 交替工作，局部网中所有节点使用相同时间间隔作为根节 点在询呼和询呼扫描模式下交替工作，以避免得到同一局 部网上已存在信息。若有任一节点对此作出响应，就发送 一个包给根节点，而使同一局部网中其他节点停止在询呼 和询呼扫描模式下交替工作，同时检查响应节点所属阶段。 如果响应节点处于阶段１，则忽略该响应，继续保持在询呼 和询呼扫描模式下交替工作。如果处于阶段３，则连接其他 节点形成一个局部网，该局部网中所有节点将试图发现其 他局部网。 经历阶段３之后，网关节点拥有整个拓扑信息，并开始 做一次调整。将所有通信范围内节点作为其直接子节点 （第１层），并将这些子节点置为暂停模式，对每一个节点， 被上层节点暂停后，其子节点也被置为暂停模式，传感器这 时开始工作。如此反复直至建立整个传感器网络。 １．２能量感知路由算法 由于节点能量有限且补充困难，无线传感器网络的首 要设计目标是能量的高效利用。传统网络的路由机制通常 选择源节点到目的节点的最小跳数单径路由传输数据，但 在无线传感器网络中，频繁使用同一条路径传输数据容易 导致该路径上节点能耗过快而提前失效，从而整个网络分 割成互不连接的孤立网络，造成网络寿命缩短。Ｒａｈｕｌ Ｃ等 人 提出了基于多路径的能量感知路由算法。该算法在源 节点和目的节点建立了多条路径，根据路径上节点通信能 耗和剩余能量状况给每条路径赋予一定选择概率，由于该 概率与能量相关，可将通信能耗分散到多条路径上，从而使 得数据传输可以均衡消耗整个网络的能量，最大限度延长 网络的使用寿命。该多路径能量感知路由协议包括３个阶 段：路由建立阶段、数据通信或数据传播阶段和路由维护阶 段。每个节点都知道到达目的节点的所有下一跳节点，需 要计算选择每个下一跳节点传输数据的概率，该概率与节 点能量通信代价的倒数成正比。概率的计算是通过节点到 目的节点的通信代价来估算的。为解决距离基站较远的传 感器节点发送数据消耗的能量代价太高，导致节点很快死 亡的问题。本文采用Ｒａｈｕｌ Ｃ等人 提出了基于多路径的 能量感知路由算法。 １．３定时唤醒机制 传感器节点的主要任务是根据具体应用的需求监测其 周围发生的事件，对采集的数据进行预处理，然后将其传输 给主站。所以，节点的能耗主要由三部分构成：数据采集、 数据传输和数据处理。相对数据采集和数据处理，一个节 点在数据传输方面消耗的能量最多，数据传输的能耗包括 数据发送和数据接收２个方面。通过在实际系统中监测无 线传感器节点的工作状态，可以发现节点在大部分时间内 处于“空闲”状态，每个传感器节点的通信信息都很少。因 此，提出一种用定时唤醒机制来降低节点的能量损耗，每个 传感器节点都支持多种工作模式，包括“运行”、“空闲侦 听”和“睡眠”３种状态。采用信息触发的机制，当传感器节 点监测的环境发生变化时，通过定时中断唤醒相应的节点 进入“运行”状态，与主站通信进行数据传输，在其他时间传 感器节点处理于“空闲侦听”或“睡眠”状态。实验表明：采 第９期 田祖伟，等：基于蓝牙技术的无线传感器网络数据通信系统的设计 １０３ 用这种定时唤醒、多工作状态轮转的技术可降低无线传感 器网络节点能量损耗。 ２仿真实验 基于蓝牙Ｓｐｅｃ１．１规范在ＮＳ－２网络仿真器和ＩＢＭ开 放源代码的蓝牙扩展模块仿真器ＢｌｕｅＨｏｃ上进行仿真实 验，本文仿真器对蓝牙跳频物理层和询呼程序进行了仿真。 每个蓝牙设备使用询呼和传呼程序采集信息和进行连接。 同时在询呼和传呼过程中使用查询访问码（ｉｎｑｕｉｒｙ ａｃｃｅｓｓ ｃｏｄｅ，ＩＡＣ）和跳频同步（￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｈｏｐｐｉｎｇ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ， ＦＨＳ）包。设定阶段１（信息采集与聚合）和阶段３（连接局 部网）的超时均为３．５ Ｓ，用仿真器估计了网络拥有３０， ９Ｏ个节点时建立蓝牙网络所花时间，如图１所示。从图１ 可以发现，在不限定节点数或不限定区域大小时，本方案可 在１０ Ｓ内有效组建一个蓝牙网络。 ４５ ４Ｏ要 ０ ｌＯ×ｌ０ ｌ５×１５ ２０ｘ２０ ２５ｘ２５ ３０ｘ３０ ３５ｘ３５ ４０ｘ４０ ４５ｘ４５ ５０ｘ５０ 区域大小／ｍ 图１蓝牙网络创建时间 Ｆｉｇ １ Ｔｉｍｅ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｎｅｔｗｏｒｋ 假定每个节点以规则的时间间隔（实验中取３００ Ｓ）产 生数据包，除网关节点拥有无限能量外，开始时所有节点有 相同的能量。现给定随机分布在３０ｍ ｘ３０ｍ的３２个传感 器节点，每个节点有１０ｍ的通信半径。图２给出了使用能 量感知和未使用能量感知的路由选择性能对比。从图中可 以看出：与使用能量感知的路由方法相比，采用未使用能量 感知路由方法时，第一节点耗完其能量的时间要早得多，这 将导致其无法采集传感器数据并将其传送至网关，同时也 造成其下属节点无法路由到网关。 ＼ 厘 曾 诞 图２能量感知路由性能 Ｆｉｇ ２ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ・ａｗａｒｅ ｒｏｕｔｉｎｇ 方案中采用定时唤醒、多工作状态轮转的技术的目的 是为了减少主结点能量消耗，仿真实验中通过分析用于发 送和接收包的主时槽数来验证其性能，如图３所示。结果 表明：当包速率较低时，采用这种机制有助节省传感器网络 中主站能量。 器 ／．口，口。ｏ。“ ～ ‘ … 曩 琵 ０．５ ／ ＋使十未用使定用时定唤时醒唤机醒制机 制 ＿ ＿ ＿＿ ０ ５ １０ １５ ２０ ２５ 消亡序列 图３定时唤醒机制性能 Ｆｉｇ ３ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｉｍｉｎｇ ｗａｋｅ・ｕｐ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ３结束语 本文针对已有的基于蓝牙技术的无线传感器网络在数 据通信方面所存在的问题，设计了一种新型的基于蓝牙技 术的传感器网络数据通信系统，其关键技术包括：１）设计了 一种快速、高效的分散网络组网算法；２）改进了基于蓝牙技 术的无线传感器网络系统协议栈，在网络层中引入一种能 量感知路由策略来平衡各节点能量消耗速率，然后在链路 管理层，引入定时唤醒和多工作状态转换机制来延长节点 生命周期。仿真实验结果表明该方案是可行的，能快速有 效地组建一个蓝牙网络，并有效均衡各节点能耗和延长网 络的生命周期。 参考文献： ［１］ Ｆｅｒｒａｒｉ Ｐ，Ｆｌａｍｍｉｎｉ Ａ，Ｍａｒｉｏｌｉ Ｄ，ｅｔ ａ１．Ａ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ・ｂａｓｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｗｉｔｈ Ｗｅｂ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ［Ｃ］∥ＩＴＣ２００３一Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｖａｉｌ，Ｃｏ，ＵＳＡ，２００３：８９２— ８９７． ［２］ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ＳＩＧ．Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｓｙｓｔｅｍ．［ＥＢ／ＯＬ］． ２００３—１０—１２．［２００８—１２－２０］．ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ．ｃｏｒｎ． ［３］ 崔莉，鞠海玲，苗勇．无线传感器网络研究进展［Ｊ］．计算 机研究与发展，２００５，４２（１）：１６３－１７４． ［４］李建中，李金宝，石胜飞．传感器网络及其数据管理的概念、 问题与进展［ｊ］．软件学报，２００３，１４（１０）：１７１７－１７２． ［５］梁艳招，曾夏玲，段志锋，等．基于蓝牙散射网的无线传感器 网络研究［Ｊ］．基于蓝牙散射网的无线传感器网络研究， ２００８，１８（４）：２２１－－２２３． ［６］ 何戟．蓝牙技术及其在无线传感器网络系统中的应用研 究［Ｄ］．西安：西北工业大学，２００６． ［７］ 毛飞，蒋挺，周正，等．基于蓝牙的无线传感器网络［Ｊ］． 系统工程与电子技术，２００５，２７（６）：１１４２－－１１４４ ［８］ Ｓａｌｏｎｉｄｉｓ Ｔ，Ｂｈａｇｗａｔ Ｐ，Ｔａｓｓｉｕｌａｓ Ｌ，ｅｌ ａ１．Ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｐｅｒｓｏｎａｌ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＥＥＥ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ａｎｃｈｏｒａｇｅ，ＡＫ，ＩＥＥＥ， ２００１：１５７７－－１５８６． ［９］Ｒａｈｕｌ Ｃ，Ｒａｂａｅｙ Ｊ．Ｅｎｅｒｙｇ ａｗａｒｅ ｍｕｔｉｎｇ ｆｏｒ ｌｏｗ ｅｎｅｒｙｇ Ａｄ—Ｈｏｃ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＥＥＥ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａ． ｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＷＣＮＣ＂０２），Ｏｒｌａｎｄｏ，ＵＳＡ， ２００２：３５０－３５５． 作者简介： 田祖伟（１９７３一），男，湖南邵阳人，硕士，副教授，研究方向为 信息安全、计算机网络、嵌入式系统。
